Мировой рынок чиллеров и устройств обработки воздуха по состоянию на 2023 год

0
480

Общие положения

В 2022 году мировая экономика сокращалась, инфляция росла, а цены на энергоносители стремительно взлетали. Рынок оборудования коммерческого назначения демонстрировал низкие показатели. Экономический спад и неустойчивость валютных курсов делали прогнозы на 2023 год безрадостными.

Согласно базе данных JARN, мировой спрос на чиллеры в 2022 году достиг величины 8,84 млрд долл. США, что на 0,2% больше, чем годом ранее. Основными потребителями чиллеров являются Китай, Европа и США, на долю которых приходится 31,2, 19,7 и 17,2 % мирового рынка, соответственно.

Мировой спрос на устройства обработки воздуха вырос на 5,2% по сравнению с 2021 годом и достиг 8,2 млрд долл. США.

Многие страны ужесточают нормативные требования, поощряя при этом применение тепловых насосов вместо чиллеров, способных работать только в режиме охлаждения. Особенно это касается устройств коммерческого назначения. Тепловые насосы уже широко распространились в бытовых, коммерческих и промышленных решениях, заложив прочный фундамент для создания низкоуглеродного общества будущего.

Рост строительства центров обработки данных (ЦОД) в мире подстегивает спрос на чиллеры большой мощности. Сохраняется устойчивый спрос на чиллеры для больниц и фармацевтических предприятий. В сфере обслуживания, к которой относятся, в частности, учреждения здравоохранения и гостиницы, есть потребность в высокопроизводительных устройствах, обеспечивающих высокое качество воздуха внутри помещений (IAQ).

Мир ускоренно движется в направлении декарбонизации, и страны обновляют свои стандарты энергосбережения и нормы в отношении хладагентов. В авангарде выступают Европа, Австралия и Сингапур, показывающие пример повсеместного внедрения хладагентов нового поколения, имеющих низкий потенциал глобального потепления (ПГП). Многие страны также поощряют возведение «умных» городов и зданий с энергетическим балансом, близким к нулю (nZEBs), развивая «зеленое» строительство. При строительстве новых городов в ряде стран применяется централизованное холодоснабжение, позволяющее рационально использовать бросовое тепло от различных источников.

Рыночные тенденции

Системы кондиционирования на основе чиллеров состоят из источника холода (в режиме теплового насоса — тепла) — собственно чиллера, воздушного оборудования — ​приточно‑вытяжных агрегатов и фэнкойлов, а также насосов для подачи охлаждающей и охлажденной воды, трубопроводов, градирен для отвода тепла и ряда других элементов. Общая стоимость такой системы зависит как от составляющих ее агрегатов, так и от области применения.

В денежном выражении объем спроса на воздушное оборудование примерно равен спросу на чиллеры. При этом в силу региональных особенностей в Европе доля воздушного оборудования в составе систем кондиционирования намного выше, чем, например, в Юго-Восточной Азии.

Разные регионы отличаются друг от друга как рыночными характеристиками, так и конфигурацией наиболее распространенных систем. В данной статье собраны основные тенденции, дающие представление о состоянии глобального рынка в 2022 году.

Центры обработки данных (ЦОД)

Центры обработки данных (ЦОД) критически важны для разных областей деятельности и общественного развития, однако они потребляют много энергии и выделяют много тепла. В ближайшем десятилетии ожидается значительный рост рынка охлаждения ЦОД, требующий новых технологий, чтобы сделать системы охлаждения более эффективными и экологически безопасными.

Для решения проблем, связанных с ЦОД, европейские страны и США создают новые нормативные документы и поддерживают развитие эффективных «зеленых» технологий охлаждения. В сентябре 2022 года Министерство энергетики США профинансировало проекты по энергосбережению в секторе охлаждения ЦОД. В мае 2023 года было дополнительно выделено 40 млн долл. для распределения между 15 проектами по созданию высокопроизводительных и энергоэффективных решений для охлаждения ЦОД.

Многие производители систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВК), включая Schneider Electric и Stulz, вышли на рынок холодильного оборудования для ЦОД со своими продуктами. Другие игроки рынка ОВК также расширяют это направление бизнеса. В середине 2022 года компания Airedale открыла новый завод в штате Вирджиния в США, где запустила производство чиллеров для ЦОД. Daikin приобрела американские компании CM3 Building Solutions и Alliance Air Products, работающие в сегменте ЦОД. Trane инвестировала в компанию LiquidStack — лидера в области иммерсионного охлаждения.

Бенефициарами этой тенденции являются производители чиллеров на базе компрессоров центробежного, винтового и спирального типов.

Тепловые насосы

Тепловые насосы все чаще используются, чтобы отапливать здания за счет электроэнергии вместо мазута и газа, что способствует сокращению парниковых выбросов. Благодаря новым технологиям тепловые насосы стали гораздо более эффективными. В режиме теплового насоса могут работать чиллеры различного типа.

Многие европейские потребители используют для отопления тепловые насосы «воздух-вода». В 2022 году в Европе было продано 1,7 миллиона таких устройств, что обеспечило рост рынка на 55,5% по сравнению с предыдущим годом. Во многих странах тепловые насосы «воздух-вода» рассматриваются как возобновляемые источники энергии, и использующие их потребители получают субсидии от государства. В Китае также поддерживают эту технологию, и продажи такого оборудования в стране высоки. Подробнее о рынке тепловых насосов можно узнать из публиковавшегося ранее обзора (https://mir-klimata.info/mirovoj-rynok-teplovyh-nasosov-vozduh-voda-v-2023-godu/).

Тепловые насосы все чаще воспринимаются как возобновляемые источники энергии. Расширяются области применения тепловых насосов на базе спиральных, винтовых и центробежных компрессоров в коммерческом и промышленном сегментах. Многие страны проводят политику, поощряющую рост рынка тепловых насосов. Политика углеродной нейтральности, как ожидается, будет способствовать дальнейшему росту спросу на оборудование этого типа.

Увеличение холодильной мощности

В контексте политики декарбонизации рынок чиллеров на базе компрессоров центробежного и винтового типов уделяет повышенное внимание продуктам большой холодильной мощности, использующим инверторные технологии. Спрос на мощные чиллеры на базе центробежных и винтовых компрессоров растет, а инверторное управление существенно повышает их эффективность.

Чиллеры большой холодильной мощности применяются в различных сегментах, таких как мега- и гигапроекты, здравоохранение, здания коммерческого назначения, централизованное охлаждение, центры обработки данных, модернизация энергосетей и так далее. Процесс глобальной урбанизации ускоряется. По всему миру возникают новые «умные» города, растет потребность в энергосберегающем и экологичном строительстве. Централизованное охлаждение, обладающее уникальными преимуществами, применяется все шире.

Высокоэффективные центры обработки данных и системы централизованного охлаждения обеспечивают благоприятные бизнес-перспективы для чиллеров большой холодильной мощности.

Технология магнитной подвески по-прежнему популярна

Технология магнитной подвески («магнитных подшипников») – популярное решение для энергоэффективных, малошумных и недорогих чиллеров, предназначенных для охлаждения ЦОД, комфортного кондиционирования, охлаждения производственных процессов, отопления в режиме теплового насоса и прочего. Такие чиллеры используют конденсаторы как воздушного, так и водяного охлаждения и могут работать на различных хладагентах.

Многие известные производители чиллеров используют компрессоры с магнитной подвеской Danfoss Turbocor.

Азия – крупнейший рынок чиллеров на базе компрессоров с магнитной подвеской, занимающий более 40% мирового рынка. Ключевыми потребителями таких устройств являются Китай, Сингапур и Таиланд в Азии, Франция, Германия и Великобритания в Европе, Бразилия, Канада и США в Северной и Южной Америке, а также Австралия. Чтобы удовлетворить растущий спрос, компания Danfoss запустила еще одну производственную линию во Флориде (США).

Многие производители чиллеров также вышли на рынок компрессоров с магнитной подвеской.  Компания Johnson Controls (JCI) открыла центры исследований и разработки (R&D) в США, Европе и Китае. Daikin занимается производством и разработками в США и Китае. Gree и Midea выпускают собственные компрессоры с магнитной подвеской.

Высокая разность давлений испарения и конденсации хладагента позволяет использовать чиллеры воздушного охлаждения на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской в качестве тепловых насосов во многих регионах Европы. Тепловые насосы востребованы на рынке, и это создает дополнительный стимул для роста рынка чиллеров. Некоторые производители из Азии стали поставлять чиллеры на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской в Европу.

Новые хладагенты с низким ПГП, такие как умеренно горючий (A2L) R1234ze и негорючий (A1) R515B, получили распространение на рынке устройств с магнитной подвеской. Danfoss Turbocor, YORK (JCI) и Daikin разработали алгоритмы управления двигателем для этих хладагентов.

Модульная конструкция позволяет создавать на базе компрессоров с магнитной подвеской чиллеры большой холодильной мощности, способные соперничать с традиционными моделями на основе компрессоров центробежного типа.

Быстрый рост рынка чиллеров с компрессорами спирального типа

Модульные чиллеры на базе спиральных компрессоров занимают заметную часть рынка чиллеров малой мощности. Чиллеры со спиральными компрессорами и конденсаторами воздушного охлаждения обладают рядом преимуществ перед устройствами с водяным охлаждением, особенно при использовании в местах с нехваткой воды или ограничениями по габариту размещаемого оборудования. Применение инверторной технологии позволило значительно повысить эффективность чиллеров воздушного охлаждения. Более низкие цены делают их привлекательными в ситуации, сложившейся в экономике из-за серьезного воздействия пандемии.

Продолжает расти спрос на чиллеры с компрессорами спирального типа холодильной мощностью более 7 л. с. (5,15 кВт). Большой потенциал для роста имеют тепловые насосы большой мощности на спиральных компрессорах. Совершенствование модульных чиллеров с компрессорами этого типа идет в сторону увеличения производительности, что сопровождается стремительным ростом предложения устройств холодильной мощностью от 45 до 70 х. т. (158,26 – 246,18 кВт).

Растет область применения модульных чиллеров на базе спиральных компрессоров мощностью более 100 х. т. (351,69 кВт), занявших часть рынка, ранее полностью принадлежащего чиллерам с водяным охлаждением, использующим винтовые компрессоры.

Производители активно разрабатывают спиральные компрессоры большой мощности (29,42 и 36,77 кВт) для коммерческих систем кондиционирования воздуха. Некоторые бренды увеличили мощность инверторных моделей компрессоров этого типа с 14,71 до 22,07 кВт. Доля таких компрессоров повышенной мощности на рынке, как ожидается, будет расти.

С другой стороны, чиллеры на базе компрессоров спирального типа широко используются в качестве низкотемпературных тепловых насосов.

Рост спроса на приточно-вытяжные вентиляционные установки и фэнкойлы

Растущая потребность в решениях для вентиляции с повышенным качеством воздуха в помещениях (IAQ), предназначенных для больниц, медицинских центров, клиник, общественных зданий, транспортной инфраструктуры, способствует росту спроса на приточно-вытяжные вентиляционные установки и фэнкойлы.

Системы вентиляции должны широко использовать контроль и отслеживание качества воздуха.  Следующим большим шагом могут стать системы вентиляции, автоматически регулирующие приток свежего воздуха, воздухообмен и даже эффективность фильтрации воздуха на основе данных, поступающих в режиме реального времени. Со стороны климатической индустрии это был бы способ удовлетворить потребность рынка, которая, несомненно, будет расти.

Энергоэффективности вентиляционных систем и зданий уделяется большое внимание в связи с изменением климата и важностью сокращения выбросов. Около 40% всех парниковых выбросов в мире связано со зданиями, что является серьезной проблемой. Принимаются новые законы, ограничивающие выбросы, растет озабоченность общества вопросами изменения климата.

В декабре 2021 года в Европейском союзе (ЕС) было решено переработать Директиву об энергетических характеристиках зданий (EPBD), включив качество воздуха в помещении как добровольно учитываемый показатель. EPBD — это путь к модернизации существующего фонда зданий за счет увеличения темпов обновления, улучшения качества воздуха в помещении и цифровизации энергетических систем.

В странах с развивающейся экономикой, таких как государства Ближнего Востока и Азиатско-Тихоокеанского региона, тема качества воздуха, напротив, пока не заняла надлежащего места в повестке дня. В этих странах практически отсутствует какая-либо законодательная база, устанавливающая минимальные требования к качеству воздуха в помещении и мониторингу зданий.

Абсорбционные холодильные машины, использующие бросовое тепло

Абсорбционные чиллеры могут утилизировать тепло отработанных газов на электростанциях и производственных процессов на заводах, принося значительные социальные и экономические выгоды. Некоторые крупные энергоснабжающие компании включили абсорбционные тепловые насосы в свои решения по распределению энергии, что должно способствовать росту спроса оборудование этого типа.

Северный Китай, где с дымом уходит до 10% тепла, вырабатываемого при сжигании природного газа на тепловых электростанциях, может стать большим рынком для абсорбционных чиллеров, обеспечивающих отопление.

Центры обработки данных (ЦОД) также выделяют много тепла при работе серверов. Применение абсорбционных чиллеров для использования этого бросового тепла позволило бы добиться заметной экономии энергии. Во многих ЦОД Сингапура уже реализованы подобные решения.

Пользователи все чаще выбирают решения, объединяющие чиллеры и VRF-системы. Например, в Японии чиллеры на базе компрессоров центробежного типа используются в нижней части здания Abeno Harukas в Осаке, а VRF — в верхней части, где находится гостиница. Подобная комбинированная система также используется в штаб-квартире Toshiba в Синагаве. Такие системы все чаще устанавливаются в Китае, странах Юго-Восточной Азии, Центральной и Южной Америки. Японские производители сильны в области VRF, но слабее в технологии чиллеров. Американские компании очень сильны в изготовлении чиллеров, а VRF-системы заказывают у OEM-производителей в Азии.

Подобные системы пока не стали мейнстримом, но уже хорошо зарекомендовали себя как решения, оптимально использующие энергию и экономящие деньги.

Чиллеры возвращают свои позиции в Европе

C 2015 года европейский рынок чиллеров переживает возрождение. В последние 20 лет из-за стремительного проникновения VRF-систем на мировой рынок, потеснивших чиллеры с их привычных позиций, создавалось впечатление сокращение рынка чиллеров. С принятием Регламента ЕС по фторсодержащим газам многие крупные бренды начали пересматривать свои рыночные стратегии для Европы. Новый спрос позволил чиллерам вернуть европейские рынки, захваченные системами VRF.

Чиллеры популярны в Европе, и уровень спроса показывает потенциал для дальнейшего роста. В Европе компрессоры, являющиеся основным компонентом чиллеров, изготавливаются множеством местных производителей. Использование высокоэффективных компрессоров местного производства позволяет выпускать высококачественные чиллеры в Европе. Японские, американские и китайские производители чиллеров ведут агрессивную политику слияний и поглощений (M&A) в отношении своих европейских партнеров.

Типичным продуктом на рынке является гибридная VRF-система с функцией рекуперации тепла от Mitsubishi Electric, обладающая свойствами как VRF, так и чиллера. Эта система оказалась очень успешной на европейском рынке.

Альтернативные хладагенты

Переход на новые хладагенты — один из самых главных вопросов в отрасли. Лидерами в применении хладагентов с низким ПГП в сегменте чиллеров являются страны Европы, Сингапур и Австралия.

Европа остается в авангарде глобального усиления политики защиты окружающей среды. Квоты, ограничивающие использование хладагентов в оборудовании для кондиционирования воздуха и охлаждения, вводятся поэтапно.

Система квот вынуждает европейский рынок активно внедрять новые хладагенты с более низким ПГП для чиллеров различных типов. Речь о таких хладагентах, как смеси на основе ГФО, R32, а также R290, CO2 и аммиак. Большое внимание в последнее время привлекает применение ГФO-смесей. В таблице ниже приведены примеры новых хладагентов для типичных видов оборудования Daikin.

Построение общества с нулевыми выбросами

Страны мира усердно трудятся, чтобы достичь «углеродной нейтральности». Для этого им необходимо изменить подход к строительству и эксплуатации зданий, являющихся заметным источником углеродных выбросов. В ЕС разработан план действий, направленный на то, чтобы все строительство и капитальный ремонт к 2050 году стали энергоэффективными. В странах Европы, в Японии, Китае, Сингапуре активно возводятся «умные» города, использующие системы централизованного тепло- и холодоснабжения. В этих странах материально поощряется «зеленое» строительство. Многие страны активно переходят на возобновляемые источники энергии и применяют разнообразные чиллеры-тепловые насосы в самых разных областях. В этих странах ожидается более широкое использование экологичных хладагентов, энергосберегающих кондиционеров воздуха, более совершенных систем отопления и охлаждения зданий и целых районов, что поможет им скорее прийти к построению углеродно-нейтрального общества.

Китай

В 2022 году китайский рынок чиллеров и устройств для обработки воздуха оказала в непростой ситуации. JARN оценивает рынок чиллеров в Китае в 2022 году в 2,8 млрд долларов США, что на 2,3% меньше, чем годом ранее. Рынок воздушного оборудования, как оценивается, сократился по сравнению с 2021 годом на 3% – до 985,4 млн долл.

Тенденции рынка по типу оборудования

Чиллеры с компрессорами спирального типа

Развитие технологий энергосбережения и увеличение холодильной мощности спиральных компрессоров позволили расширить область применения чиллеров на базе компрессоров этого типа. Такие устройства хорошо себя показали в проектах реновации школ, больниц, торговых центров. Кроме того, быстрое развитие рынка коммерческих систем отопления создает пространство для роста сегмента чиллеров с компрессорами спирального типа.

Основные бренды таких чиллеров в Китае – это Carrier, Climaveneta, DunAn, Euroklimat, Gree, Haier, Kingair, McQuay, Midea, TICA, Tongfang, Trane и YORK.

Чиллеры с компрессорами винтового типа

Доля чиллеров с компрессорами винтового типа на рынке Китая продолжает сокращаться из-за жесткой конкуренции со стороны маломощных чиллеров с компрессорами центробежного типа и высокоэффективных чиллеров большой мощности на базе спиральных компрессоров, а также из-за сокращения числа коммерческих проектов и уменьшения объемов инвестиций в общественные проекты.

Основными брендами чиллеров с компрессорами винтового типа в Китае являются Carrier, Climaveneta, Daikin, DunAn, Dunham Bush, Grad, Gree, Haier, Johnson Controls-Hitachi, Kingair, McQuay, Midea, TICA, Trane, Yatai и YORK.

Чиллеры с компрессорами центробежного типа

Чиллеры с компрессорами центробежного типа широко используются в Китае для кондиционирования воздуха больших общественных зданий, аэропортов, вокзалов и электростанций регионального значения, а также в нефтяной и металлургической промышленности, атомной энергетике и других отраслях. Они применяются для холодоснабжения производственных процессов, рекуперации бросового тепла, отопления в режиме теплового насоса и прочего. Растет спрос на чиллеры с центробежными компрессорами для центров обработки данных, «новой» энергетики, производства литиевых батарей и полупроводников, медицины и других быстро растущих отраслей. Это связано с высоким уровнем инвестиций в промышленность и активной реализации политики «Двойного углерода» (достижения пика углеродных выбросов к 2030 году и «углеродной нейтральности» – к 2060-му).

Ведущие бренды чиллеров с компрессорами центробежного типа в Китае – это Broad, BSE, Carrier, Climaveneta, CME, Dunham Bush, Grad, Gree, Haier, Hisense, Johnson Controls-Hitachi, LG, McQuay, Midea, TICA, Trane и YORK.

Чиллеры с компрессорами поршневого типа

Чиллеры на базе поршневых компрессоров в основном используются для охлаждения, производства холодной воды и кондиционирования воздуха на судах. В последние годы они постепенно вытеснялись холодильными машинами на базе винтовых и спиральных компрессоров. Тем не менее, благодаря преимуществам в некоторых конкретных сегментах и диапазонах производительности, чиллеры с поршневыми компрессорами сохраняют определенную долю рынка в Китае.

Ведущими брендами чиллеров на базе поршневых компрессоров в Китае являются Carrier, Millennium Refrigeration Equipment, Shenzhou Refrigeration, Xue Ying и YORK.

Абсорбционные чиллеры

Абсорбционные чиллеры используются, в основном, в энергетике и промышленности, являясь ключевым оборудованием для модернизации с целью энергосбережения и организации экологически чистого теплоснабжения. Это связано со способностью чиллеров этого типа эффективно утилизировать бросовое тепло. Популярность абсорбционных чиллеров растет с развитием электроэнергетики, теплоснабжения, химической промышленности, продвижением и реализацией проектов распределенной энергетики в различных регионах Китая.

Ведущие бренды абсорбционных чиллеров в Китае — это Broad, Ebara, Hope Deep Blue, LG, Panasonic, Shuangliang и Tongfang.

Оборудование для обработки воздуха

Являясь важной частью большого рынка чиллерных систем, сегмент оборудования для обработки воздуха, включающий фэнкойлы и приточно-вытяжные установки, обычно показывает рост или сокращение, сопоставимые с показателями большого рынка чиллеров.

Ведущие бренды оборудования для обработки воздуха в Китае – это Carrier, Climaveneta, DunAn, Dunham Bush, Euroklimat, Gree, Haier, Kingair, McQuay, Midea, Sinko, TICA, Trane и YORK.

Новинки 2022 года

В мае 2022 года Carrier выпустила водоохлаждаемый чиллер с компрессором центробежного типа на магнитной подвеске AquaEdge 19MV, а в августе – инверторный чиллер-тепловой насос воздушного охлаждения с компрессором винтового типа Aquaforce 30XQV.

Gree в августе представила новый фотоэлектрический инверторный чиллер с прямым приводом. Одна из особенностей новинки – функция разморозки с использованием нагретой фторсодержащей жидкости.

В ноябре компания Haier выпустила серию малошумных фэнкойлов Fengjing.

В сентябре McQuay выпустила серию инверторных чиллеров с водяным охлаждением на базе одновинтового компрессора PFSV, а в октябре – 130-киловаттный инверторный четырехтрубный модульный чиллер.

В сентябре Midea представила новый чиллерный бренд Kwing, под которым буду выпускаться чиллеры на базе центробежных компрессоров с магнитной и воздушной подвеской, двухрежимные аккумуляторы холода, высокотемпературные воздушные тепловые насосы с центробежными компрессорами с магнитной подвеской и прочее подобное оборудование.

В августе серию модульных инверторных воздушных чиллеров-тепловых насосов V-Force представила TICA.

Trane в августе выпустила серию воздушных чиллеров-тепловых насосов RTXG с винтовыми компрессорами, а в ноябре – серию чиллеров с водяным охлаждением конденсатора HSWA на базе центробежных компрессоров с магнитной подвеской.

YORK в феврале запустила в производство серию модульных приточно-вытяжных установок YBCM-B.

Хладагенты

Чиллеры на базе компрессоров спирального типа в Китае, в основном, используют хладагент R410A, на втором и третьем местах по распространенности — R22 и R134a. Доля моделей, использующих R32, на сегодняшний день сравнительно мала, но основные производители в Китае способны обеспечить массовое производство спиральных компрессоров на R32.

Чиллеры с винтовыми компрессорами используют, в основном, хладагенты R22 и R134a, небольшое количество чиллеров работает на R407C и R410A.

Основной хладагент чиллеров на базе центробежных компрессоров — R134a, также используются хладагенты R123, R1233zd и несколько других.

Чиллеры на базе поршневых компрессоров, в основном, используют R22, который постепенно выводится из употребления, при этом небольшое количество работает на R404A и CO2.

Стандарты

1 мая 2022 года официально вступил в силу стандарт «T/DZIN 82- 2022: Эксплуатация и обслуживание систем кондиционирования воздуха с испарительным охлаждением в ЦОД».

1 апреля 2022 года введены в действие девять стандартов в области строительства, включая «GB 55015-2021: Общий свод правил по энергоэффективности и использованию возобновляемой энергии в зданиях».

Тенденции в области оборудования и технологий

Чиллеры и тепловые насосы на природных хладагентах

Введение

С тех пор, как в 2016 году на 28-м Совещании Сторон Монреальского протокола была принята поправка, предполагающая поэтапное сокращение производства и потребления гидрофторуглеродов (ГФУ) – до 15% от базового уровня к 2036 году для развитых стран, график сокращения стал быстро ускоряться, особенно в Европе. Последняя версия пересмотра Регламента ЕС по Ф-газам предполагает сокращение на 98% к 2050 году. Кроме того, растут опасения по поводу дальнейшего использования фторсодержащих парниковых газов, а переход рынка отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения (HVAC) на природные хладагенты ускоряется.

На сегодняшний день доступны для использования такие природные хладагенты, как аммиак (R717), пропан (R290), вода (R717) и диоксид углерода/CO2 (R744). Эти хладагенты уже применяются в областях, где их характеристики наиболее приемлемы. Например, CO2 последние два десятилетия широко используется в системах нагрева воды, а R290 нашел применение в качестве хладагента для бытовых кондиционеров воздуха в Китае и Европе. Ниже приведен обзор тенденций и текущего состояния разработок в области чиллеров и коммерческих тепловых насосов на природных хладагентах.

Природные хладагенты практически не оказывают прямого влияния на парниковый эффект, их ПГП не превышает 3, а озоноразрушающая способность (ОРС) равна 0, поэтому на них не распространяются ограничения, касающиеся Ф-газов. Однако, как показано в таблице 1, существует ряд технических проблем при использовании природных хладагентов в чиллерах и коммерческих тепловых насосах. Например, низкая критическая температура CO2 не позволяет добиться высокой эффективности холодильного цикла при кондиционировании воздуха в нормальных условиях. R290 очень горюч. Аммиак токсичен и умеренно горюч. Из-за высокой точки кипения вода имеет большой удельный объем газа при всасывании в компрессор. Различные технологические усовершенствования, учитывающие свойства природных хладагентов, призваны решить эти проблемы.

Таблица 1. Свойства природных хладагентов

  ОРС ПГП Темп. кипения (°C) Критическая темп. (°C) Класс опасности Технические особенности
Аммиак (R717) 0 < 1 -33 132 B2L Высокая токсичность и умеренная горючесть
Пропан (R290) 0 3 -42 97 A3 Легковоспламеняемость
Вода (R718) 0 <1 100 374 A1 Высокое давление всасывания, высокая критическая температура
CO2 (R744) 0 1 -78 31 A1 Высокое давление, низкая критическая температура
R134a, значения для сравнения 0 1300 -26 101 A1

 

Аммиак (R717)

Аммиак имеет долгую историю применения, он широко распространен как недорогой хладагент с прекрасной производительностью, пригодный для получения средне- и низкотемпературного холода, прежде всего, в больших промышленных холодильных системах. В этом качестве аммиак популярен не только в Европе, но и в странах Азии, а также в США. Аммиак имеет самый высокий КПД цикла среди перечисленных выше четырех природных хладагентов.

Однако аммиак небезопасен из-за своей токсичности и умеренной горючести в смеси с воздухом, поэтому его использование в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха строго регламентируется. Кроме того, аммиак вызывает коррозию медных компонентов, таких как обмотки электродвигателей и трубы теплообменников, поэтому вместо меди для изготовления таких компонентов аммиачных систем приходится использовать алюминий или сталь, что снижает эффективность теплопередачи и повышает стоимость оборудования.

Технологические усовершенствования последних двух десятилетий призваны решить проблемы, связанные с применением аммиака. Одно из них – разработка полугерметичных электродвигателей, охлаждаемых хладагентом, что исключает утечку через сальники компрессора и уменьшает общий риск утечки хладагента. В конце 2000-х годов Mayekawa и Kobe Steel создали компактный полугерметичный винтовой компрессор для аммиака с использованием алюминиевых обмоток с антикоррозийным покрытием. Следом подобные разработки представили SRM и GEA. Еще одно технологическое усовершенствование – высокоэффективные теплообменники пластинчатого и микроканального типов, позволяющие уменьшить объем заправки аммиака. С их помощью удельную заправку усовершенствованных аммиачных чиллеров водяного и воздушного охлаждения удалось довести до 0,2 – 0,3 кг/х.т. (0,057–0,085 кг/кВт).

Аммиак имеет резкий запах, ощущающийся уже при концентрации 5 ppm, поэтому утечка легко обнаруживается до того, как будет потеряно большое количество хладагента. Кроме того, аммиак легче воздуха и не может скапливаться у земли. Таким образом, можно сказать, что при использовании вне помещений аммиак более безопасен, чем углеводородные хладагенты.

В силу токсичности и горючести аммиака, проектирование, производство, эксплуатация и обслуживание использующего его оборудования строго регулируются стандартами безопасности и сводами правил, такими как «Руководство по безопасному обращению с аммиачными холодильными системами», отличающимися от страны к стране.

Большинство из этих руководств требуют наличия плана реагирования для чрезвычайных ситуаций. В США Управление по охране труда и профилактике профзаболеваний (OHSA) требует наличия программы безопасного управления процессом (PSM) и регистрации оборудования и систем, если объем заправленного аммиака превышает определенный минимум.

Ведущие производители холодильного оборудования в Европе разрабатывают и выпускают чиллеры и тепловые насосы воздушного и водяного охлаждения на аммиаке, часть из которых используется для кондиционирования воздуха. В настоящее время множество мощных аммиачных чиллеров являются частью систем централизованного охлаждения и отопления, большинство которых расположено в Скандинавии. В США много аммиачных чиллеров применяются для промышленного охлаждения, однако их использованию в составе систем кондиционирования препятствуют строгие нормативные ограничения.

В Японии аммиачные чиллеры и тепловые насосы с начала 2000-х годов используются для кондиционирования воздуха в офисных зданиях, однако это, по-прежнему, относительно небольшой сегмент рынка.

Компания Mayekawa USA представила воздухоохлаждаемый чиллер с малой заправкой аммиаком для систем кондиционирования и охлаждения производственных процессов на выставке IIAR 2022, проходившей в США. Представленная модель холодильной мощностью 76 х. т. (267,28 кВт) оснащена микроканальным конденсатором воздушного охлаждения, а ее удельная заправка хладагентом составляет 0,3 кг/х. т. (0,085 кг/кВт).

Пропан (R290)

Хладагент R290 энергоэффективен, не имеет запаха, нетоксичен, а его ПГП очень мал и равен 3. Основное отличие R290 от традиционных ГФУ-хладагентов – горючесть. Горючесть ограничивает допустимый объем заправки, из-за чего R290 широко распространен в бытовых холодильниках, которым требуется очень мало хладагента.

Хладагент R290 совместим с материалами существующих чиллеров на ГФУ, его энергоэффективность такая же, как у R410A, или выше, а холодопроизводительность в 1,3 раза выше, чем у R134a. Можно сказать, что, за исключением высокой горючести, технологические препятствия для его распространения не так велики, как в случае с аммиаком.

Ускоренный график вывода ГФУ в Евросоюзе вызывает резкий рост спроса на кондиционеры воздуха, использующие R290. В Китае продвижение R290 в сегменте бытовых кондиционеров является частью национальной политики. Недавние изменения стандартов, увеличившие максимально допустимую величину заправки для горючих хладагентов, расширили область применения R290 в сегменте коммерческого охлаждения. Эти обстоятельства способствуют ускорению разработки воздухо- и водоохлаждаемых чиллеров и воздушных тепловых насосов, использующих R290, особенно – в Европе. Как минимум, 10 европейских производителей выпускают воздушные и водяные тепловые насосы, заправленные R290. По производительности этих модели сравнимы с существующими устройствами на ГФУ.

Требования безопасности для чиллеров и тепловых насосов, использующих горючие хладагенты, такие как R290, определяются количеством хладагента и особенностями установки. В Европе максимально допустимый объем заправки устанавливается стандартом DIN EN378: «Системы холодильные, требования безопасности и охраны окружающей среды» и другими связанными стандартами. Этот стандарт содержит рекомендации по проектированию, производству, монтажу, эксплуатации и обслуживанию оборудования.

Например, допустимый объем заправки для чиллеров и тепловых насосов определяется: классом хладагента – A3, A2, A2L; областью применения; местом установки – в обитаемом помещении, снаружи, внутри; площадью машинного зала; подготовленность персонала, допущенного к эксплуатации системы. Если оборудованием управляют только специалисты с допуском, максимальная заправка хладагентом составляет 5 кг, если оборудование установлено снаружи на уровне земли, заправка практически не ограничена.

С учетом названных выше норм, основной подход к проектированию чиллеров и тепловых насосов, использующих горючие хладагенты, заключается в уменьшении объема заправки до минимально возможного значения и принятии мер безопасности для предотвращения утечки хладагента. Пример конструкции чиллеров и тепловых насосов с реализованными мерами безопасности представлен на рисунке 1.

Основной подход к проектированию чиллера на R290 заключается в использовании модульной конструкции для уменьшения количества заправленного хладагента на один контур. Кроме того, для уменьшения объема заправки широко применяются пластинчатые теплообменники и микроканальные конденсаторы. Таким образом, удельную заправку современных воздухоохлаждаемых чиллеров на R290 удалось довести до 0,2 – 0,3 кг/х. т. (0,057–0,085 кг/кВт).

В качестве мер безопасности, защищающих от взрыва хладагента R290, применяются компрессоры и электротехническое оборудование во взрывозащищенном исполнении, помещенное во взрывобезопасное герметичное машинное отделение. В случае утечки хладагента взрывозащищенные датчики подают сигнал на включение аварийной вентиляции, выдувающей хладагент из машинного отделения за пределы помещения. При этом выпуск хладагента должен быть организован так, чтобы не допустить его попадания внутрь помещений. Кроме того, включение вентиляторов воздушного охлаждения разбавляет утекший хладагент свежим воздухом.

В отличие от аммиака, R290 тяжелее воздуха, и хладагент при утечке может скапливаться в нижней части чиллера.

Многие ведущие компрессорные бренды, такие как Bitzer, Copeland, Danfoss, Frick/Johnson Controls, Frascold, Hanbell, Johnson Controls-Hitachi, Mitsubishi Electric и SRM выпускают поршневые, спиральные и винтовые компрессоры на R290 для чиллеров и тепловых насосов. Copeland недавно выпустила линейку из четырех моделей спиральных компрессоров на R290 мощностью от 1,5 до 22 кВт, а Danfoss укомплектовала линейку больших спиральных компрессоров на R290 мощностью до 200 кВт.

Вода (R718)

Вода – это идеальный хладагент для парокомпрессионных систем, поскольку она нетоксична, негорюча, ее ПГП меньше 1, а КПД цикла сравним с показателями традиционных ГФУ-хладагентов. Поскольку в качестве хладагента, охлаждаемой и охлаждающей жидкостей используется одно и то же вещество – вода, теоретически можно совсем отказаться от теплообменников и использовать прямой теплообмен, например, при помощи распыления воды.

Однако при использовании в парокомпрессионных системах охлаждения воды объем газа, всасываемого в компрессор, примерно в 160 выше, чем в случае традиционного хладагента R134a. Кроме того, коэффициент сжатия будет почти в три раза выше, чем для R134a. Эти свойства требуют применения компрессора, крыльчатка которого в десять раз больше, чем в системе на R134a, что повышает стоимость компрессора.

Разработки в области компрессоров, использующих воду в качестве хладагента, и чиллеров на их основе, велись производителями в Европе и США с начала 20 века. В 1935 году компания Ingersoll-Rand из США разработала чиллер с центробежным компрессором на воде. IDE Technologies, основанная в 1965 году, считается первым производителем, успешно выпустившим в коммерческий оборот мощные водяные парокомпрессионные системы, использовавшиеся в вакуумных генераторах льда, установках охлаждения шахт и опреснителях морской воды. Утверждается, что, начиная с 1980-х годов, компания продала более 400 таких установок.

Принятое решение о постепенном отказе от хлорфторуглеродов (ХФУ), использовавшихся в качестве хладагентов, способствовало тому, что в 1990 годах исследования и разработки водяных парокомпрессионных систем продолжились. ILK Dresden в Германии работала над созданием больших чиллеров, использующих центробежные компрессоры на воде, с 1993 года, выпустив доступный полугерметичный компрессор и чиллер холодопроизводительностью 800 кВт, а также систему для производства и хранения льда мощностью 50 кВт.

Тем временем, в 2011 году Kobe Steel и три электроэнергетические компании из Токио, Тюбу и Кансая совместно создали прототип чиллера на воде в качестве хладагента, взяв за основу многоступенчатый осевой компрессор. Работы велись при поддержке Энергетического агентства Дании в сотрудничестве с Датским технологическим институтом и компанией Johnson Controls Denmark. Холодильная мощность чиллера составила 1 800 кВт, а коэффициент производительности (COP) – 5,4 при использовании непосредственного теплообмена. При этом чиллер занимает в три раза меньше места, чем аналогичные устройства на базе компрессоров центробежного типа.

Принципиальная схема водяной парокомпрессионной системы для охлаждения воды представлена на рисунке 2. Вода используется, как хладагент, охлаждающая и охлаждаемая жидкости. Испарение и конденсация происходят непосредственно при распылении воды. Крыльчатки большого диаметра помещены в теплообменный аппарат, что делает чиллер компактнее. Поскольку при использовании для кондиционирования воздуха коэффициент сжатия водяного хладагента выше, чем у ГФУ, обычно требуется многоступенчатое сжатие. Чтобы уменьшить нагрузку на подшипники, крыльчатки часто располагают тыльными сторонами друг к другу.

Следом за созданием больших чиллеров, использующих воду в качестве хладагента, стали разрабатываться и чиллеры небольшой мощности. В 2013 году компания Kawasaki Heavy Industries выпустила компактный водоохлаждаемый чиллер на основе инверторного безмасляного компрессора центробежного типа, использующий воду как хладагент. Холодильная мощность новинки составила 100 х. т. (351,69 кВт), а показатель COP для условий, установленных стандартом JIS, равен 5,1. В Европе немецкая компания Efficient Energy выпустила водоохлаждаемую холодильную машину под названием eChiller. В ее составе – безмасляный компрессор центробежного типа и пластинчатые теплообменники. Устройство подходит для областей применения с относительно небольшим перепадом температур, например, для ЦОД, где вода охлаждается до температуры 16 °C или выше, и может использоваться в режиме фрикулинга, реализованного при помощи сухих градирен. Максимальная холодильная мощность первых версий eChiller составляла всего 45 кВт, однако сейчас ее удалось поднять до 120 кВт, одновременно повысив эффективность на 20%. Данный агрегат показал техническую осуществимость маломощных чиллеров, использующих воду в качестве хладагентов.

С недавних пор ведутся работы по созданию высокотемпературных тепловых насосов, использующих такое преимущество водяного хладагента как высокая критическая температура. В частности, в 2020 году компания SINTEF из Норвегии представила на 14-й конференции МИХ по природным хладагентам результаты испытаний высокотемпературных тепловых насосов на воде, использующих два высокоскоростных центробежных компрессоров для повышения температуры горячего пара со 100 до 146 °C за счет двухступенчатого сжатия. При этом удалось довести значение показателя COP до 4,54. Таким образом, была доказана техническая возможность создания высокотемпературных тепловых насосов, использующих в качестве хладагента воду.

CO2 (R744)

ПГП, равный 1, и негорючесть делают CO2 одним из наиболее экологичных хладагентов. Его высокий коэффициент теплопередачи при низкой вязкости дает инженерам большую свободу при проектировании теплообменников. Однако КПД цикла при использовании в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха у этого хладагента ниже из-за низкой критической температуры, равной 31°C. Поэтому CO2 традиционно применяется как хладагент в нижних каскадах каскадных холодильных систем, водонагревателях, высокотемпературных тепловых насосах и автомобильных кондиционерах, где эффективно используется транскритическая фаза CO2.

Однако недавно в Европе стали проводиться исследования возможности использования CO2 в качестве хладагента в коммерческих системах кондиционирования воздуха. Такие системы отличаются высоким рабочим давлением CO2, а вместо традиционных расширительных вентилей в них используются эжекторы, обеспечивающие высокую эффективность.

Принципиальная схема эжекторной системы на CO2 изображена на рис. 3. Эжектор позволяет компенсировать потери энергии при расширении хладагента, находящегося под высоким давлением, и при этом эффективно контролировать уровень давления в испарителе. В последнее время было разработано множество тепловых насосов, использующих эжекторы.

В рамках проекта, финансируемого ЕС, была разработана интегрированная система тепло- и холодоснабжения MultiPACK, вырабатывающая одновременно тепло и холод для коммерческих и общественных зданий, используя CO2 в качестве хладагента. Источником тепла служит наружный воздух, избыток тепла отводится в атмосферу. Эффективность систем была подтверждена в ходе полевых испытаний в различных регионах Европы.

В Европе мощные тепловые насосы для централизованных систем отопления, использующие CO2, становятся экологичной альтернативой традиционным котельным на ископаемом топливе. Большинство таких тепловых насосов установлено в Северной Европе. Как правило, в таких тепловых насосах используются компрессоры нижней и средней ступени со множеством эжекторов. Источником тепла могут служить морская вода, бросовое тепло производственных процессов, наружный воздух. Мощность таких тепловых насосов варьируется от 0,5 кВт до 5 МВт.

По материалам JARN